Tony Armstrong
凌特公司電源產品部產品市場經理
很多攜帶型產品都採用單節鋰離子電池作為主要電源。但是，由於多個充電電源的存在、要求最佳的效率、產品內有多個電源軌以及有限的電路板空間，管理出入電池的功率就變得越來越複雜。
只要想一想數位相機（DSC）、MP3 播放器、GPS 接收器、個人數位助理（PDA）等產品的情形，就能理解這一點。這些產品大多數都能用 AC 電源轉換器、通用串列匯流排（USB）電纜或鋰離子電池供電。不過，管理和控制這些電源之間的電源通路卻帶來了極大的技術挑戰。直到最近，設計師們一直設法用大量 MOSFET、運算放大器以及此類元件來個別實現這一功能，但他們一直面臨著巨大的熱插拔問題和可引起嚴重系統問題的大浪湧電流。
手持產品設計電源管理挑戰高
大多數由電池供電的手持產品都採用專用積體電路（ASIC）來滿足電池充電、電源通路控制、提供多個電源等需求，以及實現真正輸出斷接、準確USB限流等保護功能。採用這種方法的原因很明顯：可以用單個元件滿足所有電源管理需求。然而，這種做法也存在一些缺點。首先，ASIC 採用特殊晶片製造技術製造，難於最大限度地提高每項電源管理功能的性能。其次是從訂貨到交貨的時間較長，這與 ASIC 的定義和開發有關，此問題在當今這種動態而設計週期短的時代變得更加重要。一個電源管理 ASIC 從概念到交貨的生產時間超過一年半是常見的事。在這麼長的時間裏，特定產品的設計需求可能已改變了 3 次或更多。
以 MP3 播放器為例，從十幾家製造商的多種 MP3 播放器可看出，這些產品的特點和功能存在共通性，可用專用標準產品（ASSP）來實現，而且沒有用單一晶片製程製造積體電路常常產生的那種性能損失。就這些應用而言，凌特公司的 LTC3455 代表著高水準的功能整合。
採用 4mm x 4mm QFN 封裝的 LTC3455 順暢地管理 AC 電源轉換器、USB 電纜和鋰離子電池之間的電源通路，同時符合 USB 電源標準。仿佛這還不夠，LTC3455 還具有一個全功能線性鋰離子電池充電器，可提供高達 800mA 的充電電流，另外還有兩個高效率的同步降壓型轉換器，能產生大多數 USB 外部裝置需要的低壓軌。此外，LTC3455 還為微處理器提供加電重設信號、為記憶卡供電提供熱插拔（HotSwapTM）輸出以及提供一個適合用作低電池電量比較器或 LDO 控制器的自由增益建構區塊電路。
LTC3455 的電源提供方法與屬於充電器饋送型系統的現有電池和電源管理積體電路不同。在這類系統中，外部電源不直接向負載供電，而是用電源轉換器或 USB 埠給電池充電，然後再由電池向負載供電。如果電池已經深度放電，那麼電源電流要經過一個延遲時間才能到達負載。這是因為在電池獲得所需的最低充電量之前不能向外供電。LTC3455 去除了此一延遲，這樣 AC 或 USB 電源一接上，手持產品就能加電。此外，該晶片將利用任何未被負載使用的可用電源給電池充電。
開關電源代替線性穩壓器
功能豐富、由電池供電的新型手持產品的另一個關鍵趨勢是用開關電源代替線性穩壓器以延長電池壽命。不過這個趨勢導致了另一個設計問題，因為很多手持產品的電路板上都有雜訊敏感高頻電路以及敏感射頻接收器。雜訊發生器（開關電源）和雜訊敏感電路在一起可能產生干擾。
傳統的解決辦法是讓產生雜訊的電路遠離對雜訊敏感的電路。不過，在今天的手持產品中，例如在智慧型電話中，元件排列如此緊密，以至於不可能再用這種方法了。由於成本和尺吋的原因，求助於遮罩也不實際。傳統的開關電源將雜訊能量集中到窄帶諧波中。不過，如果這些諧波中的一個碰巧與敏感頻率（例如，接收器的中頻（IF）通帶）重合，就有可能產生干擾。這就迫使積體電路製造商設計在輸入和輸出都具有低雜訊以及具有低電磁干擾（EMI）輻射的產品。
降低雜訊更佳的方法
有一種已經成功運用的降低雜訊的方法是讓 DC/DC 轉換器的系統時鐘產生高頻抖動。這種方法以及由此產生的擴頻工作允許用偽亂數（PRN）序列調變開關頻率，以消除窄帶諧波。凌特公司的 LTC3251即是一項在晶片上實現擴頻工作的例子。LTC3251 是 一個 500mA 高效率、低雜訊、無電感器型降壓DC/DC 轉換器。LTC3251 的擴頻振盪器用來產生每個週期的時長都是隨機但頻率固定在 1MHz 至 1.6MHz 的時鐘脈衝。這樣做的好處是將開關雜訊擴展到較寬的頻率範圍上。
智慧型手機面臨高度整合壓力
最新的“智慧”蜂巢電話允許Web瀏覽、無線傳輸電子郵件、拍照片、播放視頻流甚至玩遊戲。最新尚處於萌芽期的趨勢是，蜂巢電話中還包括一個使電話具有高容量儲存能力的微型硬碟驅動器（HDD，碟片直徑小於 1 英吋），從而使這些智慧型電話還能作為 MP3 播放器使用。不過，要把這些功能塞進一個外形尺吋已經受限的產品中，同時還要獲得更長的工作時間，智慧型電話製造商無疑面臨著越來越大的壓力。
從圖 1 所示的智慧型電話方塊圖中很容易理解，功能越多，在不同的功率級上就需要越多的低壓輸出軌。蜂巢電話中的主電源軌過去常常是 3.3V 的，而較新的蜂巢電話設計採用 1.5V 主電源軌的情形越來越常見了。原因很清楚，大多數數位大型積體電路（LSI）IC 都工作在 1.5V 或更低的電壓上。說明這種情況的兩個例子是需要 1.375V 電壓的基頻晶片組和需要 1.2V 電壓的應用 DSP（用於視頻處理）。
兩步式電源轉換方案
很明顯，由於受到空間、效率和成本因素的制約，用負載點（POL）DC/DC 轉換直接把 3.6V 的鋰離子電池額定輸出電壓降至上述較低的電壓是不符現實的。因此，設計師們轉而選擇採用兩步轉換的方法。他們先用高效率降壓型轉換器將鋰離子電池電壓降至 1.5V。然後，從這個 1.5V 主電源軌，他們可以簡單地用非常低壓差（VLDO）穩壓器為低壓數位 LSI 積體電路供電。由於額定工作電流較低以及低壓軌之間的轉換效率可以達到 80% 至 90%，所以兩步轉換方法在很大程度上是可能實現的。例如，在從 1.5V 降至 1.375V 以便為基頻晶片組內核供電時，效率為 91.7%。
在現代蜂巢電話中更加流行的功能是具有拍攝高解析度靜止圖像和視頻圖像的內置數位相機。相機性能的提高也導致對大功率白光光源的需求，以使相機可在室內或昏暗環境中使用。廣泛用於為彩色顯示幕提供背光照明的白光發光二極體（LED）已經成為配備相機的蜂巢電話中的主要光源。白光 LED 擁有能夠滿足現代蜂巢電話設計師所要求的各種特點，如小尺吋、高光輸出、可提供“閃光燈”和持續“視頻”物體照明等。高輸出功率 LED 一直專門用作各種整合型相機燈。這些專門的相機 LED 非常適用於完成物體照明任務，但是它們也是極大的電池功耗源。
雖然用大功率 LED 產生可見光這一基本任務很簡單，但是如果不改善現有設計，那麼實現高性能電源和電流控制解決方案卻是非常困難的，凌特公司的 LTC3454 是專門用來優化效率、準確度和大電流相機燈應用中 LED 電流控制的新產品之一。
LTC3454 是一種同步降壓-升壓型 DC/DC 轉換器，為由單節鋰離子電池輸入產生高達 1A 電流以驅動單個大功率 LED 而優化。該元件視 VIN 和 LED 正向電壓的不同，自動在同步降壓、同步升壓和 4 開關降壓-升壓模式之間轉換。在整個可用鋰離子電池電壓範圍（2.7V 至 4.2V）內可實現高於 90% 的 PLED/PIN 效率。
同步降壓-升壓型轉換方案
新出現的 3G W-CDMA 應用具有高速資料連結（也稱為“高速下行鏈路分組接入”），因此與其前一代相比，這些應用產生了一些獨特的電源需求。為了獲得最高的資料傳輸速率，射頻功率放大器（RF PA）需要 4.2V 的額定輸入電壓。由於鋰離子電池大多數情況下都是 3.6V，因此當用鋰離子電池為這些應用供電時，需要升壓功能以獲得 4.2V 電壓。傳統上，能夠獲得的最高電壓是電池電壓減去積體電路中整合的旁路電晶體上的 100mV 至 200mV 壓降。當蜂巢電話改變到語音模式時，射頻功率放大器需要更低的電源電壓，通常為 1V 左右。提供這些電壓一般來說是不難的，但是這裏有一個潛在的問題，即電源必須能夠在不到 25us 的時間內從 4.2V 迅速轉換到 1V（反之亦然）。蜂巢電話從備用模式轉換到發送模式時，也需要這麼快的轉換率，反過來也是這樣。這就排除了 SEPIC 轉換器或具開關 LDO 的升壓型轉換器這類解決方案，因為這些解決方案不能在低於 25us 的時間內在高速資料模式和話音模式之間轉換。
不過，凌特公司的 LTC3444 同步降壓-升壓型轉換器已經為用於 3G W-CDMA 應用而進行了優化。它可以用單節鋰離子電池向 0.5V 至 5V 之間的輸出提供高達 400mA 的持續輸出電流。LTC3444 獨特的降壓-升壓型設計使它能夠用高於、低於和等於輸出電壓的輸入電壓工作。為了獲得最高的資料傳輸速率，射頻功率放大器需要 4.2V 額定輸入電壓。由於鋰離子電池大多數情況下都是 3.6V，因此當用鋰離子電池為這些應用供電時，需要升壓功能以獲得 4.2V 電壓。這種升壓能力使得 LTC3444 對其前一代產品和所有同類元件而言都是獨一無二的，這些同類元件採用旁路電晶體代行升壓功能，而且只能提供略低於 VBATT 的電壓。
實際上所有手持產品都用彩色主動式矩陣液晶顯示幕（LCD）來顯示用戶所需的各種類型的資訊和資料。不過，製造商所面臨的挑戰是，確保用戶在任何環境中都能從這些顯示幕上讀取資訊。為了實現這一目標，他們必須提供具有合適背光照明量的彩色 LCD。這種背光照明通常由白光 LED 提供。這就產生了以緊湊、高效和低雜訊方式為這些 LED 供電的需求。
白光 LED 驅動器方案
在白光 LED 驅動器領域，凌特公司擁有兩種最佳解決方案，一種採用低雜訊無電感器型 DC/DC 轉換器（更常見的名稱是充電泵），另一種採用升壓型 DC/DC 轉換器，這兩種解決方案之間的主要不同在於是否需要電感器（磁性元件）。無電感器 DC/DC 轉換器非常適用於空間受限應用，在這種應用中必須提供低至中負載電流。此外，無電感器 DC/DC 轉換器採用小型封裝，需要的外部元件非常少，一般僅需要 3 個陶瓷電容器。大多數升壓型 DC/DC 轉換器都是專門設計的，以便為白光 LED 背光照明提供高效率和恒定電流驅動。
凌特公司最近在這一領域推出的產品有 LTC3208 和 LT3486。LTC3208 是一種無電感器、大電流、軟體可配置的多顯示幕 LED 控制器，可驅動 17 個 LED。該元件具有 1A 高效率、低雜訊充電泵，可向主、副、RGB、相機和輔助 LED 顯示幕供電，採用 5mm x 5mm QFN 封裝。LTC3208 效率高達 95%，具有一個 I2C 串列介面，用戶可受益於更長的電池壽命和到微控制器的簡單 2 線介面。LT3486 是一種雙輸出、1.3A 白光 LED 升壓型轉換器，具有寬調光範圍，專門用於由單節鋰離子電池提供恒定電流以驅動多達 16 個 LED（每個轉換器 8 個串聯 LED）。這種轉換器採用 5mm x 3mm DFN 封裝，具有高達 85% 的效率，可實現設計靈活性和緊湊的解決方案占板面積。
凌特公司電源產品部產品市場經理
很多攜帶型產品都採用單節鋰離子電池作為主要電源。但是，由於多個充電電源的存在、要求最佳的效率、產品內有多個電源軌以及有限的電路板空間，管理出入電池的功率就變得越來越複雜。
只要想一想數位相機（DSC）、MP3 播放器、GPS 接收器、個人數位助理（PDA）等產品的情形，就能理解這一點。這些產品大多數都能用 AC 電源轉換器、通用串列匯流排（USB）電纜或鋰離子電池供電。不過，管理和控制這些電源之間的電源通路卻帶來了極大的技術挑戰。直到最近，設計師們一直設法用大量 MOSFET、運算放大器以及此類元件來個別實現這一功能，但他們一直面臨著巨大的熱插拔問題和可引起嚴重系統問題的大浪湧電流。
手持產品設計電源管理挑戰高
大多數由電池供電的手持產品都採用專用積體電路（ASIC）來滿足電池充電、電源通路控制、提供多個電源等需求，以及實現真正輸出斷接、準確USB限流等保護功能。採用這種方法的原因很明顯：可以用單個元件滿足所有電源管理需求。然而，這種做法也存在一些缺點。首先，ASIC 採用特殊晶片製造技術製造，難於最大限度地提高每項電源管理功能的性能。其次是從訂貨到交貨的時間較長，這與 ASIC 的定義和開發有關，此問題在當今這種動態而設計週期短的時代變得更加重要。一個電源管理 ASIC 從概念到交貨的生產時間超過一年半是常見的事。在這麼長的時間裏，特定產品的設計需求可能已改變了 3 次或更多。
以 MP3 播放器為例，從十幾家製造商的多種 MP3 播放器可看出，這些產品的特點和功能存在共通性，可用專用標準產品（ASSP）來實現，而且沒有用單一晶片製程製造積體電路常常產生的那種性能損失。就這些應用而言，凌特公司的 LTC3455 代表著高水準的功能整合。
採用 4mm x 4mm QFN 封裝的 LTC3455 順暢地管理 AC 電源轉換器、USB 電纜和鋰離子電池之間的電源通路，同時符合 USB 電源標準。仿佛這還不夠，LTC3455 還具有一個全功能線性鋰離子電池充電器，可提供高達 800mA 的充電電流，另外還有兩個高效率的同步降壓型轉換器，能產生大多數 USB 外部裝置需要的低壓軌。此外，LTC3455 還為微處理器提供加電重設信號、為記憶卡供電提供熱插拔（HotSwapTM）輸出以及提供一個適合用作低電池電量比較器或 LDO 控制器的自由增益建構區塊電路。
LTC3455 的電源提供方法與屬於充電器饋送型系統的現有電池和電源管理積體電路不同。在這類系統中，外部電源不直接向負載供電，而是用電源轉換器或 USB 埠給電池充電，然後再由電池向負載供電。如果電池已經深度放電，那麼電源電流要經過一個延遲時間才能到達負載。這是因為在電池獲得所需的最低充電量之前不能向外供電。LTC3455 去除了此一延遲，這樣 AC 或 USB 電源一接上，手持產品就能加電。此外，該晶片將利用任何未被負載使用的可用電源給電池充電。
開關電源代替線性穩壓器
功能豐富、由電池供電的新型手持產品的另一個關鍵趨勢是用開關電源代替線性穩壓器以延長電池壽命。不過這個趨勢導致了另一個設計問題，因為很多手持產品的電路板上都有雜訊敏感高頻電路以及敏感射頻接收器。雜訊發生器（開關電源）和雜訊敏感電路在一起可能產生干擾。
傳統的解決辦法是讓產生雜訊的電路遠離對雜訊敏感的電路。不過，在今天的手持產品中，例如在智慧型電話中，元件排列如此緊密，以至於不可能再用這種方法了。由於成本和尺吋的原因，求助於遮罩也不實際。傳統的開關電源將雜訊能量集中到窄帶諧波中。不過，如果這些諧波中的一個碰巧與敏感頻率（例如，接收器的中頻（IF）通帶）重合，就有可能產生干擾。這就迫使積體電路製造商設計在輸入和輸出都具有低雜訊以及具有低電磁干擾（EMI）輻射的產品。
降低雜訊更佳的方法
有一種已經成功運用的降低雜訊的方法是讓 DC/DC 轉換器的系統時鐘產生高頻抖動。這種方法以及由此產生的擴頻工作允許用偽亂數（PRN）序列調變開關頻率，以消除窄帶諧波。凌特公司的 LTC3251即是一項在晶片上實現擴頻工作的例子。LTC3251 是 一個 500mA 高效率、低雜訊、無電感器型降壓DC/DC 轉換器。LTC3251 的擴頻振盪器用來產生每個週期的時長都是隨機但頻率固定在 1MHz 至 1.6MHz 的時鐘脈衝。這樣做的好處是將開關雜訊擴展到較寬的頻率範圍上。
智慧型手機面臨高度整合壓力
最新的“智慧”蜂巢電話允許Web瀏覽、無線傳輸電子郵件、拍照片、播放視頻流甚至玩遊戲。最新尚處於萌芽期的趨勢是，蜂巢電話中還包括一個使電話具有高容量儲存能力的微型硬碟驅動器（HDD，碟片直徑小於 1 英吋），從而使這些智慧型電話還能作為 MP3 播放器使用。不過，要把這些功能塞進一個外形尺吋已經受限的產品中，同時還要獲得更長的工作時間，智慧型電話製造商無疑面臨著越來越大的壓力。
從圖 1 所示的智慧型電話方塊圖中很容易理解，功能越多，在不同的功率級上就需要越多的低壓輸出軌。蜂巢電話中的主電源軌過去常常是 3.3V 的，而較新的蜂巢電話設計採用 1.5V 主電源軌的情形越來越常見了。原因很清楚，大多數數位大型積體電路（LSI）IC 都工作在 1.5V 或更低的電壓上。說明這種情況的兩個例子是需要 1.375V 電壓的基頻晶片組和需要 1.2V 電壓的應用 DSP（用於視頻處理）。
兩步式電源轉換方案
很明顯，由於受到空間、效率和成本因素的制約，用負載點（POL）DC/DC 轉換直接把 3.6V 的鋰離子電池額定輸出電壓降至上述較低的電壓是不符現實的。因此，設計師們轉而選擇採用兩步轉換的方法。他們先用高效率降壓型轉換器將鋰離子電池電壓降至 1.5V。然後，從這個 1.5V 主電源軌，他們可以簡單地用非常低壓差（VLDO）穩壓器為低壓數位 LSI 積體電路供電。由於額定工作電流較低以及低壓軌之間的轉換效率可以達到 80% 至 90%，所以兩步轉換方法在很大程度上是可能實現的。例如，在從 1.5V 降至 1.375V 以便為基頻晶片組內核供電時，效率為 91.7%。
在現代蜂巢電話中更加流行的功能是具有拍攝高解析度靜止圖像和視頻圖像的內置數位相機。相機性能的提高也導致對大功率白光光源的需求，以使相機可在室內或昏暗環境中使用。廣泛用於為彩色顯示幕提供背光照明的白光發光二極體（LED）已經成為配備相機的蜂巢電話中的主要光源。白光 LED 擁有能夠滿足現代蜂巢電話設計師所要求的各種特點，如小尺吋、高光輸出、可提供“閃光燈”和持續“視頻”物體照明等。高輸出功率 LED 一直專門用作各種整合型相機燈。這些專門的相機 LED 非常適用於完成物體照明任務，但是它們也是極大的電池功耗源。
雖然用大功率 LED 產生可見光這一基本任務很簡單，但是如果不改善現有設計，那麼實現高性能電源和電流控制解決方案卻是非常困難的，凌特公司的 LTC3454 是專門用來優化效率、準確度和大電流相機燈應用中 LED 電流控制的新產品之一。
LTC3454 是一種同步降壓-升壓型 DC/DC 轉換器，為由單節鋰離子電池輸入產生高達 1A 電流以驅動單個大功率 LED 而優化。該元件視 VIN 和 LED 正向電壓的不同，自動在同步降壓、同步升壓和 4 開關降壓-升壓模式之間轉換。在整個可用鋰離子電池電壓範圍（2.7V 至 4.2V）內可實現高於 90% 的 PLED/PIN 效率。
同步降壓-升壓型轉換方案
新出現的 3G W-CDMA 應用具有高速資料連結（也稱為“高速下行鏈路分組接入”），因此與其前一代相比，這些應用產生了一些獨特的電源需求。為了獲得最高的資料傳輸速率，射頻功率放大器（RF PA）需要 4.2V 的額定輸入電壓。由於鋰離子電池大多數情況下都是 3.6V，因此當用鋰離子電池為這些應用供電時，需要升壓功能以獲得 4.2V 電壓。傳統上，能夠獲得的最高電壓是電池電壓減去積體電路中整合的旁路電晶體上的 100mV 至 200mV 壓降。當蜂巢電話改變到語音模式時，射頻功率放大器需要更低的電源電壓，通常為 1V 左右。提供這些電壓一般來說是不難的，但是這裏有一個潛在的問題，即電源必須能夠在不到 25us 的時間內從 4.2V 迅速轉換到 1V（反之亦然）。蜂巢電話從備用模式轉換到發送模式時，也需要這麼快的轉換率，反過來也是這樣。這就排除了 SEPIC 轉換器或具開關 LDO 的升壓型轉換器這類解決方案，因為這些解決方案不能在低於 25us 的時間內在高速資料模式和話音模式之間轉換。
不過，凌特公司的 LTC3444 同步降壓-升壓型轉換器已經為用於 3G W-CDMA 應用而進行了優化。它可以用單節鋰離子電池向 0.5V 至 5V 之間的輸出提供高達 400mA 的持續輸出電流。LTC3444 獨特的降壓-升壓型設計使它能夠用高於、低於和等於輸出電壓的輸入電壓工作。為了獲得最高的資料傳輸速率，射頻功率放大器需要 4.2V 額定輸入電壓。由於鋰離子電池大多數情況下都是 3.6V，因此當用鋰離子電池為這些應用供電時，需要升壓功能以獲得 4.2V 電壓。這種升壓能力使得 LTC3444 對其前一代產品和所有同類元件而言都是獨一無二的，這些同類元件採用旁路電晶體代行升壓功能，而且只能提供略低於 VBATT 的電壓。
實際上所有手持產品都用彩色主動式矩陣液晶顯示幕（LCD）來顯示用戶所需的各種類型的資訊和資料。不過，製造商所面臨的挑戰是，確保用戶在任何環境中都能從這些顯示幕上讀取資訊。為了實現這一目標，他們必須提供具有合適背光照明量的彩色 LCD。這種背光照明通常由白光 LED 提供。這就產生了以緊湊、高效和低雜訊方式為這些 LED 供電的需求。
白光 LED 驅動器方案
在白光 LED 驅動器領域，凌特公司擁有兩種最佳解決方案，一種採用低雜訊無電感器型 DC/DC 轉換器（更常見的名稱是充電泵），另一種採用升壓型 DC/DC 轉換器，這兩種解決方案之間的主要不同在於是否需要電感器（磁性元件）。無電感器 DC/DC 轉換器非常適用於空間受限應用，在這種應用中必須提供低至中負載電流。此外，無電感器 DC/DC 轉換器採用小型封裝，需要的外部元件非常少，一般僅需要 3 個陶瓷電容器。大多數升壓型 DC/DC 轉換器都是專門設計的，以便為白光 LED 背光照明提供高效率和恒定電流驅動。
凌特公司最近在這一領域推出的產品有 LTC3208 和 LT3486。LTC3208 是一種無電感器、大電流、軟體可配置的多顯示幕 LED 控制器，可驅動 17 個 LED。該元件具有 1A 高效率、低雜訊充電泵，可向主、副、RGB、相機和輔助 LED 顯示幕供電，採用 5mm x 5mm QFN 封裝。LTC3208 效率高達 95%，具有一個 I2C 串列介面，用戶可受益於更長的電池壽命和到微控制器的簡單 2 線介面。LT3486 是一種雙輸出、1.3A 白光 LED 升壓型轉換器，具有寬調光範圍，專門用於由單節鋰離子電池提供恒定電流以驅動多達 16 個 LED（每個轉換器 8 個串聯 LED）。這種轉換器採用 5mm x 3mm DFN 封裝，具有高達 85% 的效率，可實現設計靈活性和緊湊的解決方案占板面積。
